如何降低燃料电池的生产成本？选对合适的催化剂是关键！
来源：宝鄂实业
2019-04-24 02:27
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氢燃料电池上游包含电池组件和氢能两大类，氢能产业链有三大环节，每个环节都有很高的技术壁垒和技术难点，目前上游的电解水制氢技术、中游的化学储氢技术和下游的燃料电池在车辆和分布式发电中的应用被广泛看好；电池组件包括燃料电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器等。产业链中游是燃料电池系统的组装部分。产业下游应用主要有固定发电、交通运输、便携式电子以及包含军事、航天在内的特殊领域。
氢燃料电池关键材料—催化剂
燃料电池核心系统是电堆，其成本占整个燃料系统的60%。如果说电堆是燃料电池产业链的决定因素，那么催化剂和质子交换膜就是整个氢燃料电池行业的命脉。2017年，中国一共生产了1272辆燃料电池商用车，催化剂和质子交换膜基本全部依托进口。因而，催化剂和质子交换膜的国产化是氢燃料电池发展的亟需解决的核心材料问题。氢燃料电池电堆系统主要由催化剂、气体扩散层、质子交换膜等组成。是氢燃料电池电堆成本构成，其中催化剂所占电堆成本比例最高，这主要是当前商业化催化剂的种类限制所致。催化剂是质子交换膜燃料电池膜电极（MEA）的关键材料之一，决定了电池的放电性能和寿命。由于PEMFC工作温度不足100oC，对催化剂活性要求很高，而铂(Pt)催化剂具有良好的分子吸附、离解特性，因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂材料。铂金属价格昂贵，我国的储存量也非常短缺。
Pt催化剂除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（主要体现在稳定性上）。通过燃料电池衰减机制分析可知，燃料电池在车辆运行工况下，催化剂会发生衰减，如在动电位作用下会发生Pt纳米颗粒的团聚、迁移、流失等。这些问题都是制约燃料电池发展的关键因素，针对这些成本和耐久性问题，研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前热点问题之一。目前，已经研发出的催化剂的种类主要有铂基催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂。
铂基催化剂材料在质子交换膜燃料电池的催化层中Pt载量一般为：阳极0.3mg/cm2、阴极0.4mg/cm2，每辆燃料电池乘用车需要Pt约50g，大巴需要约100g。Pt昂贵的价格对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。因此，研发低铂和非铂系催化剂是目前研究重点。在低铂系催化剂方面，核壳类催化剂和纳米结构催化剂是研究热点，主要原理是利用结构化修饰得到具有特殊形貌和晶面的优化分布的材料，使其具有更优异的性能。核壳类催化剂以催化剂活性组分作为壳，以过渡金属元素作为核，具有很高的贵金属利用率和氧还原催化活性。纳米结构催化剂在氧还原反应活性方面也较传统Pt催化剂高出50%。Pt单原子壳层核壳催化剂尤其能最大限度地提高Pt催化剂的利用率。因此催化剂的特殊纳米结构化是燃料电池低铂载量的重要研发方向。非铂系催化剂的研究重点在三块：钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。钯基催化剂使用金属钯(Pd)代替Pt，Pd具有储量丰富、价格便宜的优点。但Pd基催化剂的催化活性远不及Pt基催化剂，需要通过调节表面电子结构来获得与Pt基催化剂相当的催化活性。在众多非贵金属催化剂中，过渡金属-氮-碳化合物因其具有可观的催化活性。非金属催化剂的研究主要是各种杂原子掺杂的纳米碳材料，包括硼掺杂、氮掺杂、磷掺杂等。碳材料掺杂后能明显提升氧还原催化活性，但催化剂的稳定性较Pt基催化剂仍有较大差距。非铂催化剂真正实现产业化还需要解决高活性、高稳定性的问题。因此，对于开发廉价、高效、可产业化的催化剂仍然具有非常高的挑战性。
氢燃料电池关键材料—催化剂
燃料电池核心系统是电堆，其成本占整个燃料系统的60%。如果说电堆是燃料电池产业链的决定因素，那么催化剂和质子交换膜就是整个氢燃料电池行业的命脉。2017年，中国一共生产了1272辆燃料电池商用车，催化剂和质子交换膜基本全部依托进口。因而，催化剂和质子交换膜的国产化是氢燃料电池发展的亟需解决的核心材料问题。氢燃料电池电堆系统主要由催化剂、气体扩散层、质子交换膜等组成。是氢燃料电池电堆成本构成，其中催化剂所占电堆成本比例最高，这主要是当前商业化催化剂的种类限制所致。催化剂是质子交换膜燃料电池膜电极（MEA）的关键材料之一，决定了电池的放电性能和寿命。由于PEMFC工作温度不足100oC，对催化剂活性要求很高，而铂(Pt)催化剂具有良好的分子吸附、离解特性，因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂材料。铂金属价格昂贵，我国的储存量也非常短缺。
Pt催化剂除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（主要体现在稳定性上）。通过燃料电池衰减机制分析可知，燃料电池在车辆运行工况下，催化剂会发生衰减，如在动电位作用下会发生Pt纳米颗粒的团聚、迁移、流失等。这些问题都是制约燃料电池发展的关键因素，针对这些成本和耐久性问题，研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前热点问题之一。目前，已经研发出的催化剂的种类主要有铂基催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂。
铂基催化剂材料在质子交换膜燃料电池的催化层中Pt载量一般为：阳极0.3mg/cm2、阴极0.4mg/cm2，每辆燃料电池乘用车需要Pt约50g，大巴需要约100g。Pt昂贵的价格对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。因此，研发低铂和非铂系催化剂是目前研究重点。在低铂系催化剂方面，核壳类催化剂和纳米结构催化剂是研究热点，主要原理是利用结构化修饰得到具有特殊形貌和晶面的优化分布的材料，使其具有更优异的性能。核壳类催化剂以催化剂活性组分作为壳，以过渡金属元素作为核，具有很高的贵金属利用率和氧还原催化活性。纳米结构催化剂在氧还原反应活性方面也较传统Pt催化剂高出50%。Pt单原子壳层核壳催化剂尤其能最大限度地提高Pt催化剂的利用率。因此催化剂的特殊纳米结构化是燃料电池低铂载量的重要研发方向。非铂系催化剂的研究重点在三块：钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂。钯基催化剂使用金属钯(Pd)代替Pt，Pd具有储量丰富、价格便宜的优点。但Pd基催化剂的催化活性远不及Pt基催化剂，需要通过调节表面电子结构来获得与Pt基催化剂相当的催化活性。在众多非贵金属催化剂中，过渡金属-氮-碳化合物因其具有可观的催化活性。非金属催化剂的研究主要是各种杂原子掺杂的纳米碳材料，包括硼掺杂、氮掺杂、磷掺杂等。碳材料掺杂后能明显提升氧还原催化活性，但催化剂的稳定性较Pt基催化剂仍有较大差距。非铂催化剂真正实现产业化还需要解决高活性、高稳定性的问题。因此，对于开发廉价、高效、可产业化的催化剂仍然具有非常高的挑战性。
